塔里木河干流上中游生态水量配置研究

魏光辉，张洛晨，姜振盈

(新疆塔里木河流域管理局，新疆 库尔勒 841000)

0 引 言

流域水资源合理配置是指在特定的区域或流域范围内，遵循公平、高效和可持续利用的原则[1-3]，以水资源的可持续利用和经济社会可持续发展为目标，通过各种工程与非工程措施，考虑市场经济规律和资源配置准则，通过合理抑制需求、有效增加供水、积极保护生态环境等手段和措施[4-5]，对多种可利用水资源在区域间和各用水部门间进行的合理调配，实现有限水资源的经济、社会和生态环境综合效益最大，以及水质和水量的统一和协调配[6-11].

近几十年来，塔里木河流域自然环境、社会经济发生了显著的变化，生态环境严重恶化，并引发生物多样性受损、土地退化、盐渍化扩张、现代荒漠化、沙漠化进程加剧等一系列生态环境问题，直接威胁流域经济社会的可持续发展和人类的生存安全.塔里木河流域问题的关键在于，流域水资源的不合理配置、水资源开发利用的低效、初始水权制度的薄弱、水利设施不配套，用水不科学、以及水资源统一监管的不足.因此，研究该区域的水资源可持续利用与合理配置具有重要理论和现实意义.

该文针对塔里木河干流水资源开发利用中的关键问题，统筹兼顾天然植被生态用水与社会经济发展用水，并重点探讨生态用水的合理配置模式.研究成果对流域水资源开发、利用与管理，以及改善生态环境、促进流域社会经济和生态环境的可持续发展，具有十分重要的理论意义和应用价值.塔里木河流域水系(见图1).

图1 塔里木河流域水系

1 研究方法

对流域而言，水资源利用既存在上下游关系，同时在每一个利用单元上又存在复杂的“二元”水循环关系.但无论在流域上，还是在利用单元上，均遵守水量平衡基本原理为[12-13]：

Woutflow=Winflow+Wrunoff-Wstore-Wuse

(1)

式中：Woutflow—单元的出流；

Winflow—单元的入流；

Wrunoff—单元的区间天然径流量；

Wstore—单元河道和水库的蓄变量增值；

Wuse—单元的地表水耗水量.

对于各河段，则有水量平衡方程为：

W=WE+WH+WN-WC

(2)

式中：W—河段的区间耗水总量；

WE—河段天然植被生态需水量；

WH—河段的河道损失量；

WN—河段农业引水总量；

WC—河段重复水量，即为渗漏水量与漫溢的下渗水量之和.

2 不同需水情景下的河段水量配置方案

2.1 不同植被类型的生态需水量

为实现塔里木河干流水资源的优化配置，首先对干流河段的需水量进行分析.同时，考虑到干流不同的来水频率，将河段需水分为四种情景进行研究，即：情景1，满足全河段需水；情景2，满足高覆盖植被生态需水、河损和农业引水；情景3，满足高覆盖植被生态需水、河损及90%农业引水；情景4，部分满足天然植被生态需水、河损与90%农业引水.基于此，计算得到了干流上中游河段不同植被类型下的生态需水量(见表1).

表1 干流上中游不同植被类型下的生态需水量 单位：×108m3

表1中，塔里木河干流上中游天然植被中高覆盖草地生态需水量占总需水量的65.7%，其次是有林地占26.3%，低覆盖草地的生态需水量最少，仅为2.9%.

2.2 不同情景下的河段水量配置

(1)情景1

首先，确定四个河段农业引水和天然植被生态需水量(见表2).

表2 干流上中游各河段总需水量计算 单位:×108m3

表2中，干流上中游的总需水量为40.29×108m3，其中新其满-英巴扎河段需水量最大，占总需水量的39.6%，其后依次为阿拉尔-新其满、英巴扎-乌斯满、乌斯满-恰拉，分别占总需水量的25.4%、22.4%和12.6%；结合阿拉尔-恰拉河段2005—2013年的区间耗水资料，该时段耗水量的平均值为39.6×108m3，从而表明该计算方式具有较好的科学性和可行性，计算结果准确可靠.恰拉以下所需生态水总量为4.96×108m3，河灌区及泵灌区农业引水总量为2.23×108m3，总需水量为7.19×108m3，因此可计算得到各控制断面的下泄水量，即阿拉尔、新其满、英巴扎、乌斯满、恰拉五个水文控制断面的过水量应分别为47.48×108m3、37.27×108m3、21.31×108m3、12.28×108m3和7.19×108m3.

(2)情景2

提取塔里木河干流上中游高覆盖植被区的生态需水量，结合该河段农业引水数据，得到其不同河段的总需水量(见表3).

表3 干流上中游各河段总需水量 单位：×108 m3

在表3中，干流上中游的总需水量为38.13×108m3，其中新其满-英巴扎河段需水量最大，占总需水量的40.8%，其后依次为阿拉尔-新其满、英巴扎-乌斯满、乌斯满-恰拉，分别占总需水量的24.8%、22.5%和11.9%.结合下游的最低总需水量为6.76×108m3，因此可计算得到满足塔里木河干流需水下各控制断面的下泄水量，即阿拉尔、新其满、英巴扎、乌斯满、恰拉五个水文控制断面的过水量分别应为44.89×108m3、35.43×108m3、19.87×108m3、11.30×108m3和6.76×108m3.

(3)情景3

根据塔里木河干流不同植被生态需水量及农业引水量，计算得到各河段高覆盖植被生态需水及90%农业引水下的总需水量(见表4).

表4 干流上中游各河段总需水量计算 单位：×108m3

在表4中，干流阿拉尔至乌斯满在10～12月份需满足1.39×108m3的需水量，而乌斯满至恰拉则无需供水，仅依靠回流水量即可满足河道水量消耗.总体上，干流上中游的需水总量为36.69×108m3，其中阿拉尔至恰拉分别占其25.1%、40.6%、22.2%和12.1%.考虑下游的天然植被主要依靠河道渗漏补给为主为，因此恰拉以下设定满足河道渗漏(3.38×108m3)及90%保证率下的农业用水(2.01×108m3)，此时下游的需水总量为5.39×108m3；据此，计算得到塔里木河干流各水文断面的下泄水量，即情景3下阿拉尔、新其满、英巴扎、乌斯满、恰拉五个水文控制断面的过水量分别应为42.08×108m3、32.85×108m3、17.95×108m3、9.82×108m3和5.39×108m3.

(4)情景4

对情景4下天然植被的生态需水设定为：充分满足7、8、9月高覆盖植被的生态需水要求，1～6月和10～12月满足其生态需水量的50%(见表5).

表5 干流上中游各河段总需水量计算 单位：×108 m3

在表5中，塔里木河上中游的总需水量为27.56×108m3，其中阿拉尔至乌斯满分别占25.7%、39.1%、23.9%和11.3%，前后五个时段分别占总需水量的28.8%、21.4%、24.1%、13.9%和11.8%.情景4下以满足下游大西海子以下生态需水(2.67×108m3)及90%保证率农业用水(2.01×108m3)为首要目标，而农业引水考虑利用开都-孔雀河调水予以补给，则该情景下阿拉尔、新其满、英巴扎、乌斯满、恰拉五个水文控制断面的过水量分别应为32.24×108m3、25.15×108m3、14.38×108m3、7.78×108m3和4.68×108m3.

特别地，当阿拉尔站来水小于32.24×108m3时，则至少首先满足75%保证率下的农业用水10.54×108m3.由于干流河道内最小生态需水量为20.53×108m3，因此若阿拉尔站来水量低于32.24×108m3时，则不再预留生态水，生态用水仅依靠河道侧渗水量补给.

3 结果分析

塔里木河干流生态水配置应结合不同的来水频率(见表6)、各河段总需水量及天然植被生态需水的时空分布特点综合制定.本文以河段需水为切入点，从时间尺度和空间尺度两个方向综合制定在不同来水频率及不同河段需水情景下的生态水配置方案.

表6 干流不同来水频率下的径流量 单位：×108 m3

3.1 情景1下的生态水量配置方案

在情景1下，从时间尺度上，塔里木河干流需来水47.48×108m3，而10%和25%频率下的径流量分别为68.90×108m3和56.47×108m3，可完全满足情景1下的需水要求；在上述两来水频率下，应根据塔里木河各河段、各时段总的需水量进行生态水配置.从空间尺度上，由于上述两来水频率下的径流量分别多于干流需水量21.42×108m3和8.99×108m3，而满足河段需水仅是实现天然植被的生态保护，因此应依靠引水工程对稀疏植被区进行大量的河水漫溢(见图1)，以达到促进天然植被生态恢复的目的.

根据以往的研究成果，10%来水频率下已可实现整个天然植被区域的河水漫溢，因此本文重点分析25%来水频率下的引水漫溢水量分配.基于塔里木河干流各河段稀疏天然植被的分布面积比例，划分上中下游在25%来水频率下的河水漫溢水量(见表7).

图1 塔里木河干流主要引水漫溢区

表7 塔里木河干流引水漫溢水量 单位:×108 m3

引水漫溢，主要是借助于节制闸、生态闸以及旧河道对附近地区进行漫灌.根据表8中各河段的水量分配情况，结合各个河段的闸口和旧河道的实际情况，安排引水漫溢工作.

根据干流植被的生态需水量，减去河损补给量，再结合的各段配置的漫溢水量，最后得出干流各个河段需依靠生态闸口引水量(见表8).

表8 情景1下各河段生态引水量 单位：×108 m3

3.2 情景2、3下的生态水配置方案

在情景2下，从时间尺度上看，塔里木河干流需来水44.89×108m3，而50%的来水频率下，来水量为44.06×108m3，只能刚刚满足高覆盖植被、河道损耗和农业引水，再无结余水量进行引水漫溢.在此情形之下，设定各个河段的生态引水量(见表9).

表9 情景2、3下各河段生态引水量 单位：×108 m3

若来水量持续减少，可适当压缩灌溉面积.如在情景3下，干流需来水42.08×108m3，在满足高覆盖植被、河道损耗和90%保证率下的农业引水的同时，仍多余1.98×108m3水量，但该水量仍需回补农业用水，因此各河段的生态引水量参照表9进行分配.

3.3 情景4下的生态水配置方案

当来水频率为75%，塔里木河干流水量为33.05×108m3，而情景4下的需水量为32.24×108m3，可满足生态需水要求，此时，生态引水应参照表10进行分配.但当阿拉尔站来水低于32.24×108m3时，则至少首先满足75%保证率下的农业用水10.54×108m3.

由于干流河道内最小生态需水量20.53×108m3，因此若阿拉尔来水量低于32.24×108m3时，则不再预留生态水，生态用水仅依靠河道侧渗水量补给.

表10 情景4下各河段生态引水量 单位：×108 m3

特别地，在90%来水频率时，塔里木河干流水量为24.40×108m3，在满足75%保证率下的农业用水的前提下，仅剩余13.86×108m3的水量用于河损，尚不能满足河道最小生态需水要求.考虑到植被需水主要集中在7～9月，因此可选择这3个月份集中下放生态水.

4 结 论

(1)基于干流不同来水频率，分为四种情景研究各河段需水：满足全部需水下的上中游总需水量为40.29亿m3；满足河段高覆盖植被、河损和农业引水下的上中游总需水量为38.13亿m3；满足河段高覆盖植被、河损和90%农业引水下的上中游总需水量为36.69亿m3；部分满足天然植被生态需水、河损与90%农业引水下的上中游总需水量为27.56亿m3.

(2)在来水频率为10%时，来水量为68.9亿m3，可实现整个天然植被区域的河水漫溢；来水频率为25%时，来水量为56.47亿m3，比干流需水量多8.99亿m3，可分河段进行引水漫溢；在来水频率为50%和75%时，可满足情景3、4下的水量需求.当来水量等于或小于32.24亿m3，此时原则上不再预留生态水，生态用水仅依靠河道侧渗水量补给.

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